跨江高墩刚构桥悬浇施工风致响应分析

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论文字数:55488 论文编号:sb2021041115070235142 日期:2021-04-23 来源:硕博论文网
笔者经过研究,得出了以下结论:(1)处理东溪河大桥桥址附近的地理信息时,在 Global mapper 处理桥址地理信息时,考虑其精度的问题,将点云数据之间的距离设为6m×6m,利用Imageware逆向生成地理三维曲面,得到的地形曲面满足计算结果精度的要求。(2)通过对桥址 6 个测点进行现场实测风速,得到主风向为西北方向,实测风速出现不规律性,阵风因子数值相差较大,说明桥址复杂的地形导致风速变化较大。比较实测风速与模拟计算值,证明数值模型精度满足计算要求。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
空气相对于地球表面的运动称为自然风。空气产生运动最直接原因就是存在压强差,压强差使得气体发生运动,空气发生运动就形成了风。风是自然的一种现象,对全球气候有着巨大的影响以及有益的价值,但对于结构工程师来说风对桥梁、大跨屋盖结构的影响是不可忽视的,风对大跨度结构产生的破坏给我国人民带来了巨大的财产损失,大量的结构工程在风的作用下被破环,严重影响了人民的正常生活,尤其我国其沿海城市,成为受风灾影响较为严重的地区之一。
近年来,我国综合实力越来越强大,偏远地区交通也变的更加的便利,桥梁作为我国重要的交通网络枢纽,越来越多的高墩大跨刚构桥跨越在山川峡谷和江川河流之间。高墩大跨刚构桥所在桥址环境一般较复杂[1],桥址处所受风环境较复杂等特点。使得该类型桥在风荷载下的风致响应和稳定性成为重要的设计指标[2]-[3]。当下连续刚构桥向着更高高墩和更大跨度的方向发展,桥梁结构不可避免的受到风的作用,使得高墩大跨桥在风作用下的稳定性和安全性成为不可忽略的问题。
塔科玛海峡大桥建造完成后,在风荷载作用下引起桥梁颤振,最终发生倒塌,倒塌后的塔科玛海峡大桥引起了人们的关注,以往人们普遍认为静风荷载只会使桥梁发生轻微振动[4]-[7]。此次事故发生后,人们对桥梁的风致振动加以重视,经过半个多世纪的研究和工程的实践,桥梁工程师逐渐掌握了桥梁风致响应的原理和技术手段。

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1.2 国内外桥梁风工程研究的现状
1.2.1 国外研究现状
经过著名的塔科玛大桥倒塌事故,国外的桥梁专家和学者们开始对风荷载作用下的桥梁破坏机理进行深入研究。在科技进步的同时,人们将在航空领域中的空气流体力学研究成果,运用到桥梁风荷载研究中,研究方法分为四种,分别为理论分析、现场实测、数值计算模拟以及风洞实验。这些研究手段使得桥梁风工程领域发展迅速,下面介绍一些国外的桥梁风工程领域的研究现状。
20 世纪 50 年代,丹麦科学家 M.Jaensen 阐述了在桥梁风洞试验中的一些规律,随后 J.E.Cermak 和 A.G.Davenport 两位风工程专家建成实验段边界层风洞。弥补了在风工程研究中没有模拟设备的问题。
20 世纪 60 年代,美国结构专家 R.Scamlan 对桥梁断面钝体结构进行了自激颤振分析。对桥梁颤振理论奠基了基础。同时美国科学家 A.G.Davenport 对桥梁抖振进行了分析研究[8]-[11],在理论研究中加入风压,对其进行风振研究,最终建立了桥梁的抖振研究方法。
20 年代 70 年代,国外建筑科学家在结构物风振试验中将底座天平技术加入到风振实验中,使得桥梁风致响应研究得到进一步发展。
20 世界 80 年代以后,桥梁专家对桥梁风致响应的研究有了新的突破,尤其是大尺度湍流理论与数值模拟技术得到提升。风荷载下桥梁风致响应为背景的空气动力学研究得到科学家们的重视,在风工程方面形成了一个新的分支。
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第 2 章 基本理论与研究方法

2.1 自然风特性
桥梁在施工期容易受到风的影响,研究自然风对大跨度刚构桥的影响,首先对自然风特性要有一定的了解,桥梁抗风的研究其本质就是研究自然风的特性。在大气层中风的形成是一种自然现象,风的流动方向与风速大小是随机的,当风作用在桥梁时,就是风荷载[24]。人们为了方便对桥梁抗风的研究,将自然风分为两部分,一部分为风速一定的平均风,另一部分为风速一直在改变的脉动风。
2.1.1 平均风特性
平均风特性包括四个方面,分别为场地基本风速、沿竖直高度分布的风速剖面、风攻角和风向。影响场地基本风速大小的因素主要有以下四个方面,包括地表粗糙度、风速重现期、标准高度与时距标准。根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)[25]规定,在确定桥梁基本风速时,对桥址附近进行了长时间的风速测速,在 10 米标准高度下,间隔 10min,进行风速测量,可将 10min 平均年最大风速转化为 100 年重现期桥址基本风速。在实际桥梁工程中,由于桥梁实际高度并不同,在进行桥址基本风速计算时需要将实际高度转化到标准高度。
跨江高墩刚构桥悬浇施工风致响应分析
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2.2 风荷载计算理论
对于桥梁结构的风荷载计算,风工程学者主要将风荷载分为三个主要部分,分别为静力风荷载、抖振力与自激力。其中静力风荷载由平均风产生,在桥梁结构中可根据梁端的静力三分力进行计算;抖振力由脉动风产生,使用 Scanlan 的准定常气动公式计算[30]-[33];气动产生的自激力根据 Scanlan 提出的自激空气动力表达式进行计算。
抖振力荷载为随机振动荷载,属于非定常空气动力学,使用准定常气动公式计算,然后使用 Davenport 的气动导纳函数[34]对计算出的数值进行修正,于洪刚教授在研究风荷载抖振力中发现,对于抖振中气动导纳取值的问题中,当去现场实测气动导纳时计算出的结果最小,当气动导纳设置为 1 时,计算结果为最大,即最不利状态。
基于风荷载计算理论,在桥梁所受风荷载计算中,静风荷载中主要计算箱梁的静力三分力系数,箱梁梁段静力三分力系数的获取一般通过数值模拟和风洞试验这两种途径。数值模拟通过应用流体力学(Computational Fluid Dynamics)理论对静力三分力系数模拟计算,目前常用的软件有 Cfx、Fidap、Fluent 等。本文采用Fluent 软件进行桥址三维风场数值模拟,分析大跨度桥梁的桥址风场特性,并求解各箱梁的静力三分力系数。
对数值模型进行流体数值计算时,需要将整体的计算域空间进行离散操作,即把作为一个整体的计算域进行区域划分,并对其进行网格划分。进行网格划分时,密度大、质量好的网格其结果较精确。在对二维模型数值计算时,数值模型使用三角形网格或四边形网格进行划分。对于三维模型计算相比二维模型较复杂,对于简单规则的三维模型使用六面体等结构化网格类型进行网格划分;对于复杂模型,使四面体或六面体等混合网格进行网格划分。在使用离散方法计算结果时,方法包括有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)和有限单元法(FEM)等常见的离散方法。其中有限差分法较为成熟,但边界条件设置较复杂,用于双曲线和抛物线等问题的求解;有限体积法对离散区域解决问题的方法有所不同,需要对所求函数和其所求函数的导数分布作出某种形式的假定,函数方程需遵守能量守恒,并且函数方程的物理意义明确,所以有限体积法成为流动问题与传热问题计算中运用较多的一种方法,目前在大部分后处理数值模拟软件运用这种方法;有限单元法对模型中的每个单元选取该单元的近似值。
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第 3 章 数值模型的建立...................... 19
3.1 工程概况 ..................... 19
3.2 模型的建立 ............ 20
第 4 章 高墩刚构桥山谷河道风荷载数值模拟...................... 33
4.1 枯水期和丰水期桥址风场分析 ................... 33
4.1.1 桥址处基本风速 ........................ 33
4.1.2 不同蓄水高度下桥址风场环境分析 ........................ 34
第 5 章 高墩刚构桥悬浇施工风致响应分析.......................... 69
5.1 Midas 建模 ................................... 69
5.1.1 主桥模型的建立 ............................... 69
5.1.2 桥梁施加风荷载 ................................ 70

第 5 章 高墩刚构桥悬浇施工风致响应分析

5.1 Midas 建模
利用 Midas Civil 软件对东溪河大桥在悬臂状态进行建模,研究河谷地形风下桥梁的风致响应。
5.1.1 主桥模型的建立
(1)材料定义与截面输入
东溪河大桥主桥箱梁使用 C50 混凝土,采用预应力钢绞线(Strand1860)进行两端张拉,大桥的主要材料特征值见表 5-1。
在进行东溪河大桥主桥箱梁截面信息输入时,0#箱梁采用等截面箱梁形式,其余箱梁如悬臂梁端采用变截面箱梁形式,保证了悬臂梁段连续性。
表 5-1 大桥主要材料特性值
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结论与展望

结论:
本文以东溪河大桥为工程背景,基于计算流体力学(CFD)基本理论,对跨江高墩大跨连续刚构桥悬浇施工各梁段风致响应进行分析。使用 Gambit 软件,并基于桥址附近地形,建立三维数值模型。使用 Fluent 软件模拟了东溪河大桥的三维河谷地形风场,得到了桥址风速、风压等风场特性,计算各施工梁段的三分力系数,并加以分析。使用 Midas Civil 软件建立了东溪河大桥最大悬臂端模型,在水位高度不同的情况下,对桥梁悬浇施工中的风致位移、应力进行了分析计算,得出了以下结论:
(1)处理东溪河大桥桥址附近的地理信息时,在 Global mapper 处理桥址地理信息时,考虑其精度的问题,将点云数据之间的距离设为6m×6m,利用Imageware逆向生成地理三维曲面,得到的地形曲面满足计算结果精度的要求。
(2)通过对桥址 6 个测点进行现场实测风速,得到主风向为西北方向,实测风速出现不规律性,阵风因子数值相差较大,说明桥址复杂的地形导致风速变化较大。比较实测风速与模拟计算值,证明数值模型精度满足计算要求。
(3)在不同水位高度情况下,对箱梁进行静力三分力系数的数值模拟,得到与梁的截面高度有关,宽度一定时,梁高较大,系数三分力系数也越大。枯水期三分力系数要比丰水期三分力系数大,说明枯水期风荷载对桥梁的作用力大。
(4)在不同水位高度情况下,得到主梁 1#块梁段截面、10#块梁段截面、17#块梁段截面在风攻角(-5°~5°)作用下的三分力系数变化,结果显示,随着风攻角的增大,阻力系数随着风攻角的增大而增大;升力系数随着风攻角的增大而增大;扭矩系数先减小后增大。
(5)在不同水位高度情况下,对桥梁悬浇施工阶段进行风致响应分析,随着悬臂施工阶段的进行,桥梁风致位移与应力逐渐变大。在枯水期风荷载下,桥梁风致位移、风致应力相比丰水期较大。
参考文献(略)

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